隔震設(shè)計在橋梁設(shè)計中的重要性研究

文/王玲、懷臣子

1 前言

地震對橋梁結(jié)構(gòu)的巨大沖擊，不僅會嚴(yán)重威脅人身安全，而且還會阻礙國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著橋梁結(jié)構(gòu)不斷建設(shè)，為了減小地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，保障結(jié)構(gòu)的安全可靠，在各種橋梁抗震設(shè)計方法中，隔震技術(shù)作為一種安全、經(jīng)濟(jì)的工程結(jié)構(gòu)減震控制措施，被廣泛應(yīng)用于橋梁的實際工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中[1]。

目前，常用的提高橋梁抗震性能的方法，一種是增加橋墩結(jié)構(gòu)的強度和變形能力以改善其抗震性能，即依靠橋墩本身的塑性變形來耗散地震能量；另一種常用的方法是使用減震或隔震設(shè)計，其一方面通過摩擦或者剪切變形以達(dá)到耗散地震能量的目的，另一方面為了使橋梁結(jié)構(gòu)的振動周期延長采用降低結(jié)構(gòu)剛度的手段。由此，隔震設(shè)計被廣泛應(yīng)用于橋梁工程中。

2 隔震技術(shù)的概述

橋梁隔震技術(shù)是通過選擇適當(dāng)?shù)臏p隔震裝置，并安裝布設(shè)于橋梁合適的位置，切斷地震波的傳播，從而降低橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力和位移，有針對性地改變橋梁結(jié)構(gòu)的損傷形式，達(dá)到橋梁整體結(jié)構(gòu)抗震性能的目的[2]。

2.1 隔震技術(shù)的基本原理

2.1.1 橋梁隔震裝置就是指利用隔震技術(shù)消耗掉地震的地震力，避免地震的巨大破壞力損壞橋梁。通過在橋梁結(jié)構(gòu)上設(shè)置隔震系統(tǒng)，限制地震能量傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的主要基本規(guī)律如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)對地震反應(yīng)的基本規(guī)律

由圖1 可知，橋梁結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)的自振周期和地震的卓越周期有關(guān)。當(dāng)兩者接近時，會增大橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，一定程度上破壞橋梁結(jié)構(gòu)。另外，由于阻尼增大會使得地震響應(yīng)減小，因此為了防止橋梁結(jié)構(gòu)受地震力的影響，要在橋梁結(jié)構(gòu)中設(shè)計阻尼裝置，通過增加阻尼來耗散橋梁承受的地震能量；同時，由于阻尼增加，減少了橋梁結(jié)構(gòu)的位移和加速度，從而防止橋梁結(jié)構(gòu)受到地震能量而被破壞[3]。概括總結(jié)以下三點基本原理：

2.1.1.1 通過增加柔性支承，延長橋梁結(jié)構(gòu)周期，從而降低橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的目的。

2.1.1.2 為了限制橋梁結(jié)構(gòu)位移，通過增加阻尼器來耗散地震能量。

2.1.1.3 確保在正常使用的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。

2.2 隔震設(shè)計的分析方法

2.2.1 倒推分析法

在水平方向上，以對橋梁結(jié)構(gòu)逐漸增加載荷的方式，來推動橋梁結(jié)構(gòu)到達(dá)指定的位移，達(dá)到對橋梁結(jié)構(gòu)非線性性能的研究目的。

2.2.2 能力譜法

基于倒推分析法，通過比對橋梁結(jié)構(gòu)的加速度-位移能力譜與地震需求反應(yīng)譜，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的直觀判斷的目的。

2.2.3 位移設(shè)計法

借助橋梁結(jié)構(gòu)的強度，通過判斷結(jié)構(gòu)允許位移指標(biāo)，達(dá)到檢驗橋梁隔震效果的目的。

3 隔震設(shè)計在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 隔震設(shè)計應(yīng)用原則

3.1.1 應(yīng)用隔震設(shè)計，為了保護(hù)橋梁的橋墩和橋臺結(jié)構(gòu)不受地震損害，通過降低橋梁接收的地震響應(yīng)，使得橋梁上下部結(jié)構(gòu)在地震作用下隔離開來；同時，還可以調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期，從而使結(jié)構(gòu)自振周期避開地震波的卓越周期，改善結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

3.1.2 通過設(shè)計橋梁隔震結(jié)構(gòu)，以結(jié)構(gòu)扭矩的改變在水平方向上調(diào)整橋梁剛度，以起到降低橋梁負(fù)荷的作用[4]。同時，在一定程度上對橋梁構(gòu)件承受的地震力進(jìn)行有效分解，防止由于地震力過大造成橋梁局部受力不均發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，在一定程度上降低了橋梁結(jié)構(gòu)整體承受的載荷，避免結(jié)構(gòu)整體被嚴(yán)重破壞。

3.1.3 隔震設(shè)計的應(yīng)用可以將載荷轉(zhuǎn)移至橋梁上部結(jié)構(gòu)，減小或消除橋梁下部結(jié)構(gòu)超載現(xiàn)象，降低橋墩由于載荷較大發(fā)生嚴(yán)重變形等問題，避免橋梁地基的檢查或修復(fù)。

3.1.4 橋梁在設(shè)計時相關(guān)設(shè)計人員要充分考慮地震所帶來的影響。一個良好的橋梁隔震設(shè)計能有效提升橋梁整體的性能，將地震所帶給橋梁的破壞降到最低，增加橋梁的使用壽命。為了保證橋梁整體不被破壞，通過設(shè)計橋梁隔震裝置，一方面使橋梁的抗震性提高，另一方面減少整體橋梁的運算成本[5]。

3.1.5 在橋梁中應(yīng)用隔震設(shè)計，通過設(shè)置柔性設(shè)計的隔震裝置，來減少地震帶來的影響，且不給整體橋梁建設(shè)帶來過多影響，確保地震發(fā)生時橋梁的可使用性。

3.2 橋梁隔震設(shè)計流程

圖2 橋梁隔震設(shè)計流程圖

3.2.1 方案選擇

根據(jù)橋梁的整體功能、建設(shè)場地以及經(jīng)濟(jì)性條件確定是否需要進(jìn)行隔震設(shè)計，如果需要則確定隔震設(shè)計的初步方案。

3.2.2 動力分析計算

選擇計算模型，設(shè)置橋梁上部結(jié)構(gòu)以及隔震層的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行動力計算以及分析，通過動力分析計算模型檢驗初步方案的可行性；如果方案不可行，則重新調(diào)整相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算分析。

3.2.3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計通常由靜力作用來控制。在地震波作用下，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的慣性力，該力通過支座傳遞給橋梁下部結(jié)構(gòu)，致使下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生地震破壞。

3.2.4 隔震裝置設(shè)計

利用有限元模型對隔震裝置進(jìn)行模擬、隔震裝置與橋梁結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系等。

3.2.5 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法，計算、分析橋梁下部結(jié)構(gòu)。

3.3 隔震技術(shù)在橋梁中的應(yīng)用

3.3.1 在上部結(jié)構(gòu)和約束構(gòu)件的水平方向設(shè)置粘滯阻尼器

粘滯阻尼器是利用自身的粘性吸收地震能量，其耗能能力與其抗震性能密切相關(guān)。橋梁粘滯阻尼器的耗能原理：當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，隨著橋梁結(jié)構(gòu)的運動，粘滯阻尼器也跟著運動，從而使得粘滯阻尼器中的活塞和缸筒之間發(fā)生相對運動，在相對運動的過程中，地震能力通過阻尼器轉(zhuǎn)化釋放于外界，從而使得橋梁結(jié)構(gòu)的載荷減小。

在上部結(jié)構(gòu)和約束構(gòu)件的水平方向（如大跨度拱橋橋面與主拱的連接處）設(shè)置粘滯阻尼器，可以減少外部激勵對上部結(jié)構(gòu)地震位移的影響，也可將粘滯阻尼器和隔震支座配合使用，達(dá)到多重保護(hù)橋梁主體結(jié)構(gòu)的目的。

3.3.2 在墩、梁之間設(shè)置摩擦擺減隔震支座

摩擦擺減隔震支座是一種兼顧滑動摩擦耗能和動、勢能轉(zhuǎn)換耗能的減隔震支座，在滑動面摩擦耗能的同時，利用結(jié)構(gòu)動能轉(zhuǎn)化勢能或相互轉(zhuǎn)化來減小地震能量對結(jié)構(gòu)的影響。該類型裝置減隔震原理是：在地震作用下，支座剪力銷剪斷，支座上下部分開始沿支座摩擦面擺動，地震動能轉(zhuǎn)化為上部結(jié)構(gòu)的重力勢能，同時在自重影響下結(jié)構(gòu)可以自復(fù)位，該裝置通過結(jié)構(gòu)滯回耗能來保護(hù)橋梁下部結(jié)構(gòu)。

3.3.3 在橋梁的上部結(jié)構(gòu)中設(shè)置彈簧橡膠自復(fù)位墊塊

彈簧橡膠自復(fù)位墊塊是一種具有自復(fù)位能力和高阻尼性能的橡膠支座，具有一定的彈性和良好的隔震效果，通過彈性變形來吸收存儲能量，對高頻震動量的吸收尤為重要。在橋梁的上部結(jié)構(gòu)中設(shè)置彈簧橡膠自復(fù)位墊塊，一方面，憑借良好的彈性轉(zhuǎn)動橋梁的梁端，能夠?qū)蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu)的反力可靠地傳遞給橋墩頂部以及允許熱膨脹或收縮的混凝土結(jié)構(gòu)，從而降低地震力對橋墩產(chǎn)生的載荷；另一方面，憑借較大的剪切變形阻力，滿足橋梁上部結(jié)構(gòu)的水平位移，同時適應(yīng)橋梁變形和減少震動，提高整體橋梁的安全性能。

4 結(jié)語

由于全球氣候變化等引起的地震等自然災(zāi)害的增加和對該自然災(zāi)害不確定性的擴大，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及防止倒塌等方面的研究開發(fā)。為了提高橋梁等大型建筑物的抗震性能以及安全性，達(dá)到從外部產(chǎn)生的荷載中獲得動力，以實現(xiàn)建筑物本身直接吸收地震能量的目的，隔震設(shè)計的研究開發(fā)已經(jīng)應(yīng)用于橋梁設(shè)計中。在橋梁設(shè)計過程中，應(yīng)從隔震技術(shù)的基本原理出發(fā)，選擇恰當(dāng)?shù)陌惭b位置，利用隔震裝置，減小橋梁結(jié)構(gòu)的位移和動力加速度，有效提高橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全性能。